基于復雜系數(shù)的軟件可靠性分配方法研究

楊婷 賈嵐 原變青

摘要：隨著計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，軟件規(guī)模及軟件功能也在不斷擴充，在軟件系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)過程中，如何確保所開發(fā)的軟件系統(tǒng)能夠滿足既定的可靠性指標，軟件可靠性分配技術(shù)則是其中必不可少的環(huán)節(jié)。該文分析了可靠性分配的原理，給出了在進行軟件可靠性分配時，應(yīng)遵循的原則以及分配的步驟，在此基礎(chǔ)上，給出了基于McCabe軟件復雜性的間接度量，為后續(xù)進一步迭代分配軟件可靠性提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軟件可靠性分配;軟件復雜度;McCabe度量、復雜系數(shù)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

1概述

隨著計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，軟件規(guī)模及軟件功能也在不斷擴充，軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也越來越復雜，在計算機系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，由軟件實現(xiàn)的功能所占比例也不斷增加，同時，由軟件失效導致系統(tǒng)失效的次數(shù)也遠超過硬件所導致的系統(tǒng)失效次數(shù)。因此，如何確保所開發(fā)的軟件系統(tǒng)能夠滿足既定的可靠性指標，使軟件既能保證進度要求，又能降低生產(chǎn)成本，是當前軟件可靠性工程中要解決的一個重要問題。在軟件可靠性工程的設(shè)計和開發(fā)階段，首要任務(wù)則是在各功能模塊或組件之間完成可靠性指標的分配任務(wù)。

本文分析了可靠性分配的原理，給出了在進行軟件可靠性分配時，應(yīng)遵循的原則以及分配原理，在此基礎(chǔ)上，給出了基于MaCabe軟件復雜性的間接度量，為后續(xù)進一步迭代分配軟件可靠性提供依據(jù)。

2軟件可靠性分配原則及分配步驟

2.1分配原則

在軟件可靠性工程中，軟件可靠性分配過程和軟件可靠性預(yù)測過程正好相反，可靠性預(yù)測是一種合成方法，即：從底向上逐步完成系統(tǒng)指標的計算和評估，而可靠性分配過程則是一種分解方法，即：從頂向下逐層完成系統(tǒng)指標的分解和分配，根據(jù)初次分配的結(jié)果，搞清楚分配的指標與預(yù)測值之間的差距，進一步采取一定的措施加以修正。

因此，在進行軟件可靠性指標分配時，需遵循如下兩個原則：

1）要保證滿足系統(tǒng)可靠性要求;

2）要平衡設(shè)置各模塊或部件的可靠性指標。

針對第2）條原則，需要注意兩點，一是在每個部件或模塊的設(shè)計和開發(fā)過程中，要綜合權(quán)衡時間、難度、風險、重要度等因素的差距;二是要使整個系統(tǒng)的開發(fā)成本最低。

2.2分配步驟

軟件可靠性分配是一種從頂向下逐層分解的過程，以下給出軟件可靠性分配步驟，如圖1所示。

1）確定軟件可靠性指標：軟件系統(tǒng)的可靠性指標是軟件系統(tǒng)在特定的環(huán)境（條件）下，在給定的時間內(nèi)，不發(fā)生故障的工作的概率，即可靠度R，除可靠度指標外，分配的指標也可以是故障率，或系統(tǒng)的MTBF（故障平均時間間隔）。

2）根據(jù)系統(tǒng)需求規(guī)格說明書，找出軟件的剖面及邊界。

3）按照功能說明，在考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性以及收集的歷史數(shù)據(jù)的特性（如存在哪些可靠性已知的類似模塊），將系統(tǒng)自頂向下分解為不同的部件或模塊。

4）選用一定的數(shù)學模型分配給整個系統(tǒng)，確定了整個系統(tǒng)的可靠性指標后，再根據(jù)具體功能和影響因子具體分配給部件或模塊。

5）根據(jù)初次分配的結(jié)果，搞清楚分配的可靠性指標與預(yù)測值之間的差距，進一步采取相應(yīng)的措施加以修正。

3基于MaCabe軟件復雜性的間接度量及可靠性分配

3.1軟件復雜性的McCabe間接度量

軟件復雜性主要體現(xiàn)現(xiàn)在程序的復雜性上，軟件越復雜，在開發(fā)和維護過程中所消耗的資源也越多。因此，軟件的復雜性可以作為軟件所需資源投入量的一個間接度量。此外，軟件越復雜，在設(shè)計中出現(xiàn)錯誤的可能性也越大，這是一種合乎邏輯的推理，盡管復雜性與軟件中的錯誤數(shù)未必呈現(xiàn)出簡單的正比關(guān)系，但是存在這種正相關(guān)趨勢則是肯定無疑的。

本文給出McCabe復雜性度量方法，并以此作為復雜性因子，給出了基于復雜性因子的分配方法，為后續(xù)進一步迭代分配軟件可靠性提供方法依據(jù)。

軟件復雜性的度量可以從執(zhí)行程序指令以及結(jié)構(gòu)關(guān)系來研究。

以下考慮程序指令間的相互關(guān)系，即結(jié)構(gòu)上的錯綜程度，來研究程序結(jié)構(gòu)的復雜性。

將程序中的每個處理步驟和判定符收縮為一個點，將有關(guān)的點用線段連接起來，就得到抽象的程序流圖。有向圖中從某一節(jié)點出發(fā)的路，如果最終又回到原來的節(jié)點，則稱這樣的路為回路。如果在有向圖中，任意一個節(jié)點至少可以找出一條路通向其他任意的一個節(jié)點，這樣的有向圖稱為強連接有向圖。

用V（G）表示有向圖中的回路數(shù)，用m表示圖中的弧的數(shù)目，n表示節(jié)點數(shù)，對于強連接的有向圖，若用回路數(shù)V（G）來表示其復雜性，則可以證明V（G）由下列公式給出：

V（G）=m-n+1

上式稱為程序的循環(huán)性度量，又稱為McCabe復雜性度量。如圖2所示，圖（a）和圖（b）都表示程序流圖，按上式計算得：

V（G）=13-11+1=3

圖（b）按上式計算得：

V（G）=10-7+1=4

上面的方法同樣可以度量程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)，通常，循環(huán)結(jié)構(gòu)復雜的程序，往往出錯率也會高。通過比較上面的兩個程序流圖，可預(yù)知圖（b）隱含的錯誤數(shù)大于圖（a）所含錯誤數(shù)。

3.2基于復雜性系數(shù)的軟件可靠性分配方法

本節(jié)將給出基于復雜性系數(shù)的軟件可靠性分配方法，該方法將系統(tǒng)失效率分配到各個模塊中。若某一部件或模塊的復雜系數(shù)越大，那么為達到一定的可靠性而花的維護費用也越大，因此，該模塊或部件所分配的失效率也將越高。

以下給出具體的分配步驟：

1）確定軟件系統(tǒng)總的失效率。

2）確定模塊數(shù)M。

3）確定每一部件或模塊的復雜性因子wi。

4）確定每一部件或模塊實際運行的時間ti，以及任務(wù)的時間T。

5）計算失效率的調(diào)整系數(shù)：

4結(jié)束語

軟件可靠性分配方法與硬件可靠性分配方法相比，模型的選擇和分配的靈活度都存在差異。已知的軟件可靠性分配方法很多都借鑒了硬件可靠性的技術(shù)，同時考慮了軟件自身的特點和性質(zhì)，進而形成了符合軟件特性的軟件可靠性分配方法。本文給出了基于McCabe軟件復雜性的間接度量，為進一步迭代分配軟件可靠性提供依據(jù)，后續(xù)可以進一步研究基于復雜性、重要度以及調(diào)用強度等因素的可靠性分配技術(shù)。